水泥土搅拌桩加固软土技术的设计研究

蔡先强

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

软土是指天然孔隙比大于或等于1，且天然含水量大于液限的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等[1]。软土具有触变性和显著的流变性，修建在软土地区的路基，主要是路堤填筑荷载引起软基滑动破坏的稳定问题和量大且时间长的沉降问题，是高速公路常见的特殊路基病害。在多种处理软土的方法中，水泥搅拌法加固软土技术正日益被广泛应用推广，值得我们深入探讨。

1 工程概况及软基处理方案选择

1.1 工程概况

广灵至浑源高速公路工程位于山西省东北部，大同市的东部，行政区划隶属大同市广灵县、浑源县。本项目路线全长77.268 km，设计速度采用100 km/h，路基宽度26 m。自然地理属广灵盆地、恒山山脉北延之六棱山南部、大同盆地东南部的浑源谷地。地形地貌复杂，沟壑纵横，因地质构造、岩性特征、风化剥蚀差异，明显分为三大地貌单元，即中东部盖层为主的构造剥蚀侵蚀低中山区；中部老变质岩出露的构造剥蚀中山区；两侧为断陷盆地，其间穿插河谷平原区、黄土丘陵区、洪积台地区、山间河谷区。

软基所处地形较为平坦，地势开阔，总体向盆地中心方向倾斜，倾斜坡度一般在2°～3°左右，地表被近代河流所切割，深度一般在3～10 m。出露地层为新生界第四系冲洪积成因的粉土、砂土、砂砾石层，形成0.5～1 m的表面硬壳层，其下为淤泥质土，厚度为5～8.5 m，经试验测定大部分软土的天然含水量在40%～60%，e=1.75，抗剪强度低，承载力判定为40～50 kPa，而路基填方高5 m以上，要求承载力达150 kPa。

1.2 处理方案选择

软土地基处理方法较多，常用的处理方法有砂垫层、换填法、重压法、强夯法、垂直排水固结法、水泥桩、粒料桩等。每种方法都有其适用性、局限性，需要根据具体工程情况，对几种处理方案进行技术、经济以及施工进度等方面的比较，从而确定合理的处理方法。初步分析，砂垫层和换填法显然不适合本项目（换填法处理深度宜在3 m以内）；重压法施工时间太长；强夯法对周边环境影响较大，不符合项目要求；垂直排水固结法相对于水泥桩法处理效果不太理想；水泥土搅拌法具有最大限度地利用了原土、无噪声、无污染、对周围原有建筑物及地下管沟影响很小等特点。结合本项目的土质情况、进度要求、经济技术要求等方面，综合分析确定采用水泥土搅拌法。水泥土搅拌法是利用水泥等材料作为固化剂通过特制的搅拌机械，就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，使水泥固化剂与土体发生一系列的物理和化学反应，软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基土强度和增大变形模量[2]。

2 设计计算

水泥土搅拌法用于处理泥炭土、有机质土、pH值小于4的酸性土、塑性指数大于25的黏土，或在腐蚀性环境中以及无工程经验的地区使用时，必须通过现场和室内试验确定其适用性。设计前应分析研究场地的岩土勘察报告，对报告中填土的成分、厚度、水平、垂直向的分布；软土的分布范围、分层、厚度；地下水的pH值、腐蚀性；土的含水量、塑性指数、有机质含量等进行分析研究以确定水泥土搅拌法的适用性[1]，同时有必要了解搅拌桩的承载特性。

2.1 水泥搅拌桩的承载性状

图1所示为某典型搅拌桩的现场静载试验所得出的P-s曲线（黄自彬等，1990），如图1所示尚有该桩桩身不同深度处的荷载—沉降曲线。由图中可以看出，水泥搅拌桩在承受竖向荷载时，桩体的变形是逐渐增加且无明显的拐点，属典型的柔性桩的承载特性[3]。

图1 水泥搅拌桩的承载性状

水泥搅拌桩的这种承载性状可归纳为：

a）在桩顶荷载作用下，桩的沉降主要是由桩身压缩引起的，压缩量逐渐减少。

(1)定量分析处理T1、T2、T3、T4与CK试验结果。不同处理下的土壤浸水饱和后，测得其体积含水率数据结果如图3所示，由图可知，各处理CK、T1、T2、T3、T4组分别在水吸力为63.1 cm、67.07 cm、31.55 cm、31.14 cm和147.59 cm时达到田间持水量，且田间持水量随着生物炭施加量的增大而增大。因此施加生物炭整体上能提高土壤的持水能力。

b）桩身上部压缩较大，类似纯摩擦桩的特征。由以上分析可知，搅拌桩应有一临界桩长，当桩长超过该临界桩长时，超过部分的桩体承载作用实际很小，甚至不起作用。临界桩长计算：

式中：D为桩径；Ep为桩的变形模量；Es为土的变形模量；λ为与土体泊松比有关的参数。

搅拌桩的长度除不超过临界长度外，还应根据上部结构对承载力和变形的要求确定，并宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层。干法的加固深度不宜大于15 m，湿法的加固深度不宜大于20 m[2]。

2.2 设计计算

水泥土搅拌桩的设计，主要是确定搅拌桩的置换率和长度。常规的计算可按如下步骤进行。

2.2.1 计算单桩竖向承载力

有式（ 2）、式（ 3）2 个计算公式，原则上取小值[2]。

式中：qu为桩体无侧限抗压强度，kPa；f为桩侧土平均摩阻力，kPa；Rsb为桩端土承载力，kPa；L、D 分别为桩长、桩径，m；η为桩身强度折减系数，η=0.35～0.5；α 为桩端土承载力折减系数，α=0.5；Ap为搅拌桩单桩截面积，m2。

水泥土搅拌桩复合地基的承载力特征值应通过现场单桩或多桩复合地基荷载试验确定。初步设计时可按式（4）估算。

式中：Rsp、Rs分别为复合地基和桩间天然地基的承载力，kPa；Rp为搅拌桩的单桩承载力，kN；m为桩的面积置换率，即桩体截面积之和与加固土面积之比；β为桩间土承载力折减系数，β=0～1。

确定了m后，即可计算水泥搅拌桩桩数n=m·A/Ap(其中A为布桩基础底面积)，水泥搅拌桩的布置应根据基础类型确定，一般采用正方形或等边三角形，由面积置换率算出桩间距d=(Ap/m)1/2，即可进行布桩。

2.3 设计验算

进行地基的沉降变形验算时，要考虑搅拌桩复合土层的平均压缩变形和桩端下未加固土层的压缩变形两个方面。

2.3.1 搅拌桩复合地基的压缩变形S1

式中：Pz为搅拌桩复合土层顶面的附加压力值，kPa；Pzl为搅拌桩复合土层底面的附加压力值，kPa；Esp为搅拌桩复合土层的压缩模量，kPa；Ep为搅拌桩的压缩模量；Es为桩间土的压缩模量。

2.3.2 桩端下未加固土层的变形S2

式中：ψs为沉降经验系数按《建筑地基基础设计规范》GB50007查表确定；n1为加固区的土层数；n2为加固区以下土层的数量；Esi为加固以下土层的压缩模量；αi-1、αi为桩端下计算点至第i-1层土、第i层土底面范围内的平均附加应力系数；Zi-1、Zi为桩端下第i-1层、第i层土底面的距离，m。

当复合地基中桩体置换率较大（m大于20%），且桩端下卧层依然处于软土层中时，应将复合地基视作一假想实体基础，验算其下卧层的强度。

2.4 项目应用

经上述计算、验算确定了广灵至浑源高速的软基处理方案：桩径为50 cm，桩长为8 m，正三角形布置，桩距为2 m，立面设计详见图2。

图2 水泥搅拌桩处理立面示意图

同时要注意以下具体细节：a）选用强度等级为32.5级的普通硅酸盐水泥，水泥掺入比为10%。b）砂垫层材料可选用中砂、粗砂、级配砂石等，厚度为30 cm，最大粒径不宜大于20 mm。c）桩头需深入软层以下50 cm，施工时桩长可按实际情况进行调整，由业主、监理、设计代表现场确认，按实际桩长计量。

3 设计后续研究

在完成本项目的软基设计工作后，对整个设计流程进行了反思和研究，有如下几点体会，供大家参考。

a）一些设计参数的取值不能做到非常精确，或根据区域经验确定（比如抗压强度qu取值，试验环境与实际有差别），有可能导致设计方案不能取得理想加固效果，实际沉降值较大。建议有些项目在条件允许的情况下，提前对软基采取加重预压的方法，在施工期间尽可能消除沉降。

b）从水泥搅拌桩由上至下的承受荷载情况分析，由于周边土的摩擦力作用，搅拌桩受荷逐渐减小；并且如果在加固区土质情况相同，水泥掺入比越高，则桩体强度越高，沉降量越小。因此在设计中是否可以考虑根据桩的受力情况而调整水泥掺入量，比如上部掺入量为16%，中部为14%，下部为12%，在以后的项目设计中可以探索改进。

c）本项目水泥搅拌桩在施工过程中，设计代表反映有个别桩体出现了沉桩现象，即“空洞”，成桩后自动下沉0.6～0.8 m，经设计、监理的现场试验检测，是下部喷粉量不足所致，由于沉桩不深，采用了3%的水泥土回填夯实的补救措施。此质量问题值得警醒，应特别注意预防，比如保证水泥桩底端打入持力层；桩的上部、下部掺灰量都应满足设计要求；加强土层含水量的监测检查，局部含水量较大时（大于70%），应采取必要的措施排水等。

4 结束语

影响水泥搅拌桩加固效果的因素是多方面的，不仅需设计计算正确合理，还与施工工艺、施工机械、加固材料等密切相关，比如水泥和土搅拌的均匀程度，直接关系成桩质量。因此，为使水泥土搅拌桩加固软土技术应用更为广泛、经济、合理，需要广大的设计、施工、监理人员和理论研究者共同努力，不断探索，取得更大的进步。